Содержание статьи
- 1. Введение: особенности эксплуатации подшипников в туннельных печах
- 2. Условия работы подшипников вагонеток
- 3. Типы подшипников для высокотемпературных применений
- 4. Материалы для изготовления жаростойких подшипников
- 5. Смазочные материалы для высоких температур
- 6. Антифрикционные твердосмазочные покрытия
- 7. Критерии выбора подшипников для вагонеток
- 8. Техническое обслуживание и диагностика
- 9. Расчет теплового расширения подшипников
- 10. Часто задаваемые вопросы
Введение: особенности эксплуатации подшипников в туннельных печах
Туннельные печи являются основным типом оборудования для обжига керамических изделий, кирпича и огнеупорных материалов. В процессе обжига вагонетки с продукцией последовательно проходят через зоны подогрева, обжига и охлаждения, подвергаясь воздействию температур от 50 до 1100 градусов Цельсия и выше. Подшипники колес вагонеток работают в экстремальных условиях, что предъявляет особые требования к их конструкции, материалам и смазке.
Вагонетка печная представляет собой конструкцию, состоящую из металлической рамы с футеровкой и ходовой части на колесах. Колеса перемещаются по рельсовому пути внутри туннеля печи. Подшипники колес испытывают комбинированное воздействие высоких температур, значительных статических нагрузок от массы загруженной продукции и абразивного износа от керамической пыли и окалины.
Условия работы подшипников вагонеток
Температурный режим туннельной печи
Туннельная печь имеет три основные зоны с различными температурными условиями. В зоне подогрева температура повышается со скоростью 50-150 градусов в час от начальной температуры до 750-800 градусов Цельсия. Зона обжига характеризуется максимальными температурами, достигающими 900-1100 градусов Цельсия в зависимости от типа обжигаемой продукции. В зоне охлаждения происходит постепенное снижение температуры до 50 градусов со скоростью до 120 градусов в час. Общее время цикла обжига кирпича и керамики составляет 18-32 часа.
| Зона печи | Температура среды, градусов Цельсия | Температура на уровне колес, градусов Цельсия | Время пребывания |
|---|---|---|---|
| Форкамера | 50-100 | 40-80 | 0,5-1 ч |
| Зона подогрева | 100-800 | 80-350 | 8-12 ч |
| Зона обжига | 900-1100 | 250-500 | 4-8 ч |
| Зона охлаждения | 800-50 | 350-50 | 10-15 ч |
Температура на уровне колес вагонетки существенно ниже, чем температура в зоне садки изделий. Это обусловлено конструкцией вагонетки с теплоизолирующей футеровкой и расположением рельсового пути в нижней части печного канала. Подшипники колес регулярно подвергаются воздействию температур 200-350 градусов Цельсия, а в зоне обжига кратковременно до 400-500 градусов.
Механические нагрузки
Вагонетки туннельных печей несут значительную полезную нагрузку. Масса загруженной продукции может составлять от 2 до 15 тонн в зависимости от размеров вагонетки и плотности садки. При типичной конструкции с четырьмя колесами каждый подшипник воспринимает статическую нагрузку от 500 до 4000 кг. К этому добавляются динамические нагрузки при проталкивании вагонетки через печь толкателем.
Воздействие абразивных частиц
Керамическая пыль, образующаяся при обжиге, и частицы окалины создают абразивную среду, ускоряющую износ подшипников. Мелкодисперсные частицы проникают в подшипниковый узел, вызывая истирание рабочих поверхностей. Это особенно критично при использовании консистентных смазок, которые удерживают абразивные частицы в зоне трения.
Типы подшипников для высокотемпературных применений
Подшипники скольжения
Для колес печных вагонеток наиболее часто применяются подшипники скольжения в виде металлических втулок. Они обладают высокой несущей способностью, простотой конструкции и ремонтопригодностью. Подшипники скольжения изготавливаются из жаростойких бронз, специальных чугунов или композитных материалов с твердосмазочным наполнителем.
| Тип подшипника | Рабочая температура, градусов Цельсия | Несущая способность | Область применения |
|---|---|---|---|
| Бронзовые втулки (БрАЖ, БрОФ) | до 250 | Высокая | Зоны умеренного нагрева |
| Чугунные втулки | до 400 | Очень высокая | Зоны интенсивного нагрева |
| Графитонаполненные втулки | до 500 | Средняя | Самосмазывающиеся узлы |
| Керамические втулки (Si3N4) | до 800 | Средняя | Экстремальные температуры |
Подшипники качения
Высокотемпературные подшипники качения применяются в случаях, когда требуется минимальное сопротивление вращению или точное позиционирование. Для работы при температурах выше 120 градусов Цельсия используются подшипники со специальной термообработкой (стабилизацией), увеличенным радиальным зазором и термостойкими сепараторами.
Маркировка высокотемпературных подшипников включает суффиксы, обозначающие температуру стабилизации. По системе SKF применяются суффиксы S0-S4. Радиальный зазор для высокотемпературных применений выбирается по группам С3, С4 или С5 по ISO (соответствуют группам 7, 8, 9 по ГОСТ 24810-2013), что обеспечивает компенсацию теплового расширения деталей.
| Маркировка SKF | Температура стабилизации, градусов Цельсия | Максимальная рабочая температура, градусов Цельсия |
|---|---|---|
| S0 | 150 | до 150 |
| S1 | 200 | до 200 |
| S2 | 250 | до 250 |
| S3 | 300 | до 300 |
| S4 | 350 | до 350 |
Гибридные и керамические подшипники
Для экстремальных температурных условий применяются гибридные подшипники с керамическими телами качения и стальными кольцами, а также полностью керамические подшипники. Керамика из нитрида кремния (Si3N4) способна работать при температурах до 800-1000 градусов Цельсия, оксид циркония (ZrO2) применяется до 400 градусов Цельсия. Коэффициент линейного расширения нитрида кремния составляет 2,7-3,2 x 10^-6 1/К, что примерно в 4-5 раз меньше, чем у подшипниковой стали.
Материалы для изготовления жаростойких подшипников
Подшипниковые стали для высоких температур
Стандартная подшипниковая сталь ШХ15 по ГОСТ 801-78 теряет твердость и несущую способность при температурах выше 150-200 градусов Цельсия вследствие процессов отпуска закаленной структуры. Для высокотемпературных применений используются специальные жаропрочные стали с легированием хромом, молибденом, ванадием и вольфрамом.
| Марка стали | Максимальная рабочая температура, градусов Цельсия | Особенности применения |
|---|---|---|
| ШХ15 (стабилизированная) | до 200 | Стандартные высокотемпературные применения |
| ШХ15СГ (стабилизированная) | до 250 | Повышенная теплостойкость |
| 95Х18 (X105CrMo17) | до 350 | Коррозионностойкие подшипники |
| 80MoCrV42-16 | до 400 | Длительная эксплуатация при высоких температурах |
| Быстрорежущие стали (Р18, Р6М5) | до 500 | Экстремальные температуры |
Материалы колес вагонеток
Колеса печных вагонеток изготавливаются методом литья из специальных жаростойких чугунов. Эти материалы обеспечивают высокую твердость, износостойкость и способность выдерживать нагрузки в несколько тонн при температурах до 500-600 градусов Цельсия.
Керамические материалы
Нитрид кремния (Si3N4) является предпочтительным материалом для высокотемпературных керамических подшипников благодаря сочетанию высокой прочности, низкой плотности и отличной термостойкости. Плотность нитрида кремния составляет 3,17-3,26 г/см3, что примерно в 2,4 раза меньше плотности подшипниковой стали. Прочность на изгиб достигает 600-900 МПа, модуль упругости 270-300 ГПа. Максимальная рабочая температура керамики из Si3N4 достигает 1300 градусов Цельсия.
Смазочные материалы для высоких температур
Консистентные смазки
Стандартные консистентные смазки на литиевом загустителе работают при температурах до 120-130 градусов Цельсия. Для высокотемпературных применений используются смазки на литиевом комплексе, полимочевинном, бентонитовом или неорганическом загустителе с синтетическими базовыми маслами.
| Тип загустителя | Рабочая температура, градусов Цельсия | Особенности |
|---|---|---|
| Литиевый комплекс | до 180 | Многоцелевые применения, высокая водостойкость |
| Полимочевина | до 180-200 | Высокая термостабильность, низкая зольность |
| Бентонит (неорганический) | до 200-260 | Отсутствие точки каплепадения |
| Специальные неорганические (силикагель) | до 300 | Промышленные печи, конвейеры |
Графитовые смазки
Графитовые смазки широко применяются в подшипниках скольжения печных вагонеток. Графит обладает слоистой кристаллической структурой, обеспечивающей низкое сопротивление сдвигу между слоями и, соответственно, низкий коэффициент трения. Графитовые смазки сохраняют работоспособность при температурах до 300-350 градусов Цельсия в воздушной среде.
Порошковые смазки
При температурах выше 300 градусов Цельсия консистентные смазки теряют работоспособность, и применяются порошковые твердые смазочные материалы: дисульфид молибдена (MoS2), графит, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и их комбинации.
Дисульфид молибдена эффективен при контактных давлениях до 2500-3000 МПа. Рабочая температура MoS2 в воздушной среде до 350 градусов Цельсия. Порошковые смазки на основе ПТФЭ работоспособны до 260-280 градусов Цельсия.
Антифрикционные твердосмазочные покрытия
Альтернативой традиционным смазкам для подшипников скольжения печных вагонеток являются антифрикционные твердосмазочные покрытия (АТСП). Эти материалы формируют на поверхности детали тонкий композиционный слой толщиной 15-25 микрометров.
Принцип действия АТСП
Покрытие образует на поверхности защитную пленку с высоким сопротивлением сжатию и малым сопротивлением сдвигу. Коэффициент сухого трения покрытия составляет 0,02-0,06. Покрытия работают по принципу сухой смазки и не требуют возобновления в течение всего срока службы узла.
Преимущества АТСП перед консистентными смазками
| Параметр | Консистентная смазка | Твердосмазочное покрытие |
|---|---|---|
| Диапазон рабочих температур, градусов Цельсия | -40...+260 | -180...+440 |
| Притягивание абразивных частиц | Да | Нет |
| Необходимость повторного нанесения | Регулярно | Однократно |
| Несущая способность, МПа | до 800-1000 | до 2500-3000 |
Критерии выбора подшипников для вагонеток
Основные факторы выбора
При выборе подшипников для колес вагонеток туннельных печей необходимо учитывать: максимальную температуру в зоне установки подшипника, характер температурного воздействия, статическую и динамическую нагрузку, скорость вращения колеса, наличие абразивных загрязнений.
Алгоритм выбора типа подшипника
Температура до 150 градусов Цельсия: стандартные подшипники качения со смазкой на литиевом комплексе или бронзовые втулки скольжения.
Температура 150-250 градусов Цельсия: подшипники качения со стабилизацией S2-S3, зазором С3-С4, полимочевинная или бентонитовая смазка; чугунные или бронзографитовые втулки скольжения.
Температура 250-350 градусов Цельсия: подшипники качения из жаропрочной стали со стабилизацией S3-S4 и зазором С4-С5; втулки скольжения с твердосмазочным покрытием.
Температура выше 350 градусов Цельсия: гибридные или керамические подшипники; специальные самосмазывающиеся втулки с графитовым наполнителем.
Расчет радиального зазора
Радиальный зазор в подшипнике должен компенсировать тепловое расширение деталей при нагреве. Для высокотемпературных применений выбирают зазоры увеличенных групп С3, С4 или С5 по ISO (соответствуют группам 7, 8, 9 по ГОСТ 24810-2013).
Техническое обслуживание и диагностика
Периодичность осмотра
Подшипниковые узлы колес вагонеток требуют регулярного технического обслуживания. При круглосуточной работе визуальный осмотр проводится ежесменно, детальная диагностика - еженедельно, замена смазки - в соответствии с регламентом производителя.
Признаки износа подшипников
К характерным признакам износа подшипников скольжения относятся: увеличенный радиальный люфт колеса, затрудненное вращение, нехарактерный шум или скрип, видимый износ посадочных поверхностей, следы перегрева на металлических деталях.
Расчет теплового расширения подшипников
При проектировании подшипниковых узлов для высокотемпературных применений необходимо учитывать тепловое расширение материалов.
Формула расчета теплового расширения:
Delta L = L0 x alpha x Delta T
где:
Delta L - изменение размера, мм
L0 - начальный размер, мм
alpha - коэффициент линейного расширения, 1/градус Цельсия
Delta T - изменение температуры, градусов Цельсия
Пример расчета
Для стального подшипника с внутренним диаметром d = 100 мм при нагреве от 20 до 300 градусов Цельсия (Delta T = 280):
Коэффициент линейного расширения стали ШХ15: alpha = 12,5 x 10^-6 1/градус Цельсия
Delta d = 100 x 12,5 x 10^-6 x 280 = 0,35 мм
Для компенсации этого расширения необходим начальный радиальный зазор не менее 0,15-0,20 мм (группа С4 или выше по ISO).
| Материал | Коэффициент линейного расширения, 10^-6 1/градус Цельсия |
|---|---|
| Подшипниковая сталь ШХ15 | 12,0-12,5 |
| Жаропрочная сталь (95Х18) | 10,5-11,5 |
| Чугун серый | 10,0-11,0 |
| Бронза оловянная | 17,0-18,5 |
| Нитрид кремния Si3N4 | 2,7-3,2 |
| Оксид циркония ZrO2 | 10,0-11,0 |
Часто задаваемые вопросы
Для колес печных вагонеток в большинстве случаев предпочтительны подшипники скольжения в виде металлических втулок. Они обладают более высокой несущей способностью при низких скоростях вращения, проще в обслуживании и замене, менее чувствительны к абразивным загрязнениям и перекосам. Подшипники качения применяются при необходимости минимального сопротивления вращению.
При температурах 250-300 градусов Цельсия рекомендуется использовать высокотемпературные консистентные смазки на неорганическом загустителе (бентонит, силикагель), либо порошковые смазки на основе графита или дисульфида молибдена. Оптимальным решением являются антифрикционные твердосмазочные покрытия, которые наносятся однократно и работают весь срок службы узла.
Радиальный зазор выбирается с учетом теплового расширения деталей подшипника. Для температур до 200 градусов Цельсия применяют группу зазора С3 (группа 7 по ГОСТ 24810-2013), для 200-300 градусов - С4 (группа 8), выше 300 градусов - С5 (группа 9). Точный расчет выполняется по формуле теплового расширения с учетом посадочных натягов.
Применение графитовых смазок для подшипников качения не рекомендуется. Частицы графита могут действовать как абразив на полированных поверхностях дорожек качения, ускоряя их износ. Графитовые смазки оптимальны для подшипников скольжения, тяжелонагруженных зубчатых передач, резьбовых соединений.
Срок службы керамических подшипников в высокотемпературных печах может составлять 5000-15000 часов работы при правильном подборе и эксплуатации. Керамические подшипники из нитрида кремния лучше переносят термоциклирование благодаря низкому коэффициенту теплового расширения (2,7-3,2 x 10^-6 1/К против 12-13 x 10^-6 1/К у стали).
Стабилизация - это дополнительная термическая обработка подшипника при температуре выше рабочей. Она предотвращает размерные и структурные изменения материала при эксплуатации в условиях нагрева. Без стабилизации при температурах выше 120-150 градусов Цельсия происходит отпуск закаленной стали с падением твердости. Температура стабилизации указывается в маркировке подшипника суффиксами S0-S4 (по SKF).
Периодичность замены смазки зависит от типа смазочного материала и температурного режима. Конкретные сроки следует уточнять в документации производителя смазки. Твердосмазочные покрытия не требуют возобновления и работают весь срок службы подшипника.
Стандартные полимерные сепараторы из полиамида работают до 110-130 градусов Цельсия. Для высоких температур применяют: стальные штампованные или механически обработанные сепараторы (до 300-350 градусов), латунные сепараторы (до 250-280 градусов). При температурах выше 300 градусов используют металлические сепараторы или подшипники без сепаратора.
Полезные материалы по теме
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Представленная информация основана на открытых технических источниках и не является руководством к действию. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия, связанные с использованием информации из данной статьи. При проектировании, выборе и эксплуатации подшипников для промышленного оборудования необходимо руководствоваться действующими нормативными документами, технической документацией производителей и рекомендациями квалифицированных специалистов.
Источники
- ГОСТ 520-2011 Подшипники качения. Общие технические условия
- ГОСТ 24810-2013 Подшипники качения. Внутренние зазоры
- ГОСТ 3189-89 Подшипники шариковые и роликовые. Система условных обозначений
- ГОСТ 801-78 Сталь подшипниковая. Технические условия
- ГОСТ 5632-2014 Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки
- ISO 15312:2018 Rolling bearings - Thermal speed rating - Calculation
- ISO 5753-1:2009 Rolling bearings - Internal clearance - Part 1: Radial internal clearance
- SKF Group. Rolling bearings catalogue. Technical specifications for high-temperature applications
- Справочник машиностроителя. Том 4. Подшипники качения. Под ред. Н.С. Ачеркана. М.: Машиностроение
- Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения: Справочник. М.: Машиностроение, 1992
